Chương 6 THỬ NGHIỆM, HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

Sau khi học xong chương này, bạn sẽ có thể: • Nhớ lại các công thức đo lường động cơ. • Giải các bài toán đo lường động cơ cơ bản. • Phát triển hiểu biết về các chỉ số đánh giá động cơ. Ai cũng đã nghe đến từ "mã lực", nhưng rất ít người, kể cả nhiều kỹ thuật viên, hiểu chính xác ý nghĩa của nó và cách tính toán. Khoa học về thử nghiệm và đo lường động cơ rất phức tạp và, theo đúng nghĩa của nó, nằm trong lĩnh vực kỹ thuật. Tuy nhiên, điều quan trọng là người học công nghệ ô tô phải quen thuộc với các công thức, thuật ngữ cơ bản và cách tính toán của chúng.

Trang 1

Chương 6: THỬ NGHIỆM, HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ 2

6.1 Mã lực là gì? 2

6.1.1 Công thức Mã lực 2

6.1.2 Công suất toàn phần 3

6.1.3 Hiệu suất nhiệt 3

6.1.4 Hiệu suất Cơ học 3

6.1.5 Hiệu suất thực tế 4

6.1.6 Công suất tính toán (ihp) 4

6.1.7 Công suất phanh (brake horsepower - bhp) 4

6.1.8 Máy đo công suất trên xe 6

6.1.9 Đánh giá công suất Gross và Net 7

6.1.10 Công suất ma sát (fhp) 7

6.1.11 Mô-men xoắn 7

6.1.12 Mô-men xoắn và công suất mã lực phanh không giống nhau 8

6.2 Hiệu suất thể tích 8

6.2.1 Dung tích động cơ (Displacement) 9

6.2.2 Đường kính trong xi lanh và hành trình piston: 10

6.3 Tỉ số nén 11

6.4 Tóm tắt 12

Trang 2

Chương 6: THỬ NGHIỆM, HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

Sau khi học xong chương này, bạn sẽ cĩ thể:  Nhớ lại các cơng thức đo lường động cơ  Giải các bài tốn đo lường động cơ cơ bản  Phát triển hiểu biết về các chỉ số đánh giá động cơ Ai cũng đã nghe đến từ "mã lực", nhưng rất ít người, kể cả nhiều kỹ thuật viên, hiểu chính xác ý nghĩa của nĩ và cách tính tốn Khoa học về thử nghiệm và đo lường động cơ rất phức tạp và, theo đúng nghĩa của nĩ, nằm trong lĩnh vực kỹ thuật Tuy nhiên, điều quan trọng là người học cơng nghệ ơ tơ phải quen thuộc với các cơng thức, thuật ngữ cơ bản và cách tính tốn của chúng

6.1 Mã lực là gì?

Nhiều năm trước, người ta nhận ra sự cần thiết của một thước đo để đánh giá khả năng sinh cơng của một động cơ Vì ngựa đã được sử dụng để làm việc từ lâu, nên việc so sánh cơng suất do động cơ đầu tiên phát triển với cơng suất do một con ngựa tạo ra là điều tự nhiên

Cơng của một con ngựa kéo trung bình được đo bằng đơn vị foot-pounds đã từ lâu là đơn vị chuẩn của cơng Cơng cĩ thể được định nghĩa là một lực tác dụng lên một vật thể khiến vật thể đĩ di chuyển Lượng cơng thực hiện được tính bằng cách nhân khoảng cách vật thể di chuyển với trọng lượng của vật thể Kết quả sẽ là foot-pounds

Ví dụ, người ta thấy rằng một con ngựa kéo trung bình cĩ thể nâng 100 pound lên cao 330 feet trong một phút Nếu nâng một pound lên một foot trong một phút, sẽ thực hiện được một foot-pound cơng Con ngựa nâng 100 pound (lb.) lên 330 feet (ft.) trong một phút Lượng cơng thực hiện cĩ thể được tính bằng cơng thức:

Cơng = Khoảng cách di chuyển x Trọng lực

= 33.000 ft x lb = 330ft x 100lb

Hình 6.1 Cơng suất là thước đo tốc độ thực hiện cơng việc Khả năng thực hiện cơng việc với tốc độ 33.000 ft.-lb mỗi phút bằng với 1 mã lực Chúng ta thấy con ngựa đã thực hiện cơng với tốc độ 33.000 foot-pound mỗi phút Điều này trở thành đơn vị đo tiêu chuẩn cho một mã lực, Hình 6-1 Tốc độ thực hiện cơng được gọi là cơng suất Mã lực đơi khi được gọi là mã lực phanh Thuật ngữ này bắt nguồn từ một phương pháp đo mã lực sớm

6.1.1 Cơng thức Mã lực

Để tìm mã lực của động cơ, tổng cơng suất thực hiện (tính bằng foot-pounds) được chia cho 33.000 Nếu một máy nâng 100 lb lên 660 ft mỗi phút, tổng cơng suất của nĩ sẽ là 66.000 ft.-lb Chia số này cho 33.000 ft.-lb (1 mã lực), bạn sẽ thấy rằng máy được đánh giá là 2 mã lực (hp) Cơng thức của bạn sẽ là:

Công [ft×lbs] khoảng cách dịch chuyển × lực   

Trang 3 Cơng thức này cũng cĩ thể được sử dụng để xác định mã lực cần thiết để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Giả sử bạn muốn nâng những xơ đất từ một cơng trường đào đất Trọng lượng của xơ đầy là 5000 lb và bạn muốn nâng nĩ lên 15 ft mỗi phút Sử dụng cơng thức: hp D W 15 5.000 2,27hp

33.000 33.000

Cơng tối thiểu cần thiết (khơng tính đến ma sát) sẽ là 2,27hp

6.1.2 Cơng suất tồn phần

Nếu một động cơ nhất định đốt một loại nhiên liệu nhất định với một tốc độ nhất định, và nếu tồn bộ nhiệt của nhiên liệu cháy cĩ thể được chuyển đổi thành cơng suất hữu ích, bạn sẽ cĩ một động cơ lý tưởng Thật khơng may, động cơ chưa đạt được mức hiệu quả này Trên thực tế, ngay cả những động cơ tốt nhất cũng tương đối khơng hiệu quả vì cơng suất hữu dụng cịn rất xa so với cơng suất tồn phần

Hiệu suất của động cơ cĩ thể được chia thành hai nhĩm: hiệu suất nhiệt và hiệu suất

cơ học Bất kỳ so sánh nào giữa các động cơ khác nhau trên cơ sở hiệu quả phải được

tiến hành trong các tình huống giống nhau Thời tiết, độ cao, nhiệt độ, tốc độ động cơ và độ ẩm đều ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra

6.1.3 Hiệu suất nhiệt

việc bao nhiêu năng lượng (khả năng thực hiện cơng) của nhiên liệu cháy được chuyển đổi thành cơng suất hữu ích

Nhiệt sinh ra từ nhiên liệu cháy đẩy piston xuống trong hành trình sinh cơng (thì nổ) Phần lớn nhiệt này bị mất vào hệ thống làm mát, một số vào hệ thống bơi trơn và một lượng lớn vào hệ thống xả Hiệu suất nhiệt của một động cơ trung bình là khoảng 25% Điều này cĩ nghĩa là động cơ đang mất khoảng 75% năng lượng nhiệt của nhiên liệu, Hình 6-2

Cơng thức thường được chấp nhận để tính hiệu suất nhiệt phanh là:

bhp 33.000778

Công suất hãm Hiệu suất

nhiệt hãm Gía trị nhiệt Khối lượng nhiên liệu

nhiên liệu tiêu hao mỗi phút



Giá trị nhiệt của nhiên liệu được tính bằng Btus (đơn vị nhiệt của Anh) trên mỗi pound (số 778 là một hằng số)

Hình 6.2 Hiệu suất nhiệt trung bình của động cơ là khoảng 25% Lưu ý các tổn thất do cháy khơng hồn tồn, khí thải, bức xạ, làm mát và bơi trơn

6.1.4 Hiệu suất Cơ học

Hiệu suất cơ học dựa trên mối quan hệ giữa cơng suất phát triển bên trong động cơ và mã lực phanh thực tế được truyền đến trục khuỷu May mắn thay, hiệu suất cơ học tốt hơn hiệu suất nhiệt - thường khoảng 90% Điều này cĩ nghĩa là 10% bị mất do ma sát bên trong động cơ Ma sát động cơ tăng theo tốc độ

Trang 4

ihpCông suất hãm

Hiệu suất cơ học =

Công suất tính toán 

Hình 6.3 Hiệu suất thực tế của động cơ Năng lượng bị mất giữa động cơ và bánh xe Tỷ lệ phần trăm hình trên là gần đúng và phụ thuộc vào thiết kế động cơ và điều kiện vận hành của động cơ

6.1.6 Cơng suất tính tốn (ihp)

Cơng suất chỉ thị (ihp) là một thước đo cơng suất do nhiên liệu cháy trong xi-lanh tạo ra Để tính tốn ihp, cần tìm áp suất trong xi-lanh trong quá trình nạp, nén, cơng và xả Một thiết bị đo lường cung cấp giá trị đọc áp suất khơng đổi Các áp suất này được đặt trên một đồ thị chỉ thị

Bước tiếp theo là thiết lập áp suất trung bình hiệu dụng (mep) Điều này được thực hiện bằng cách lấy trung bình áp suất trong quá trình nổ và trừ đi trung bình áp suất trong ba quá trình cịn lại Khi xác định được mep, cơng thức sau được sử dụng để xác định

cơng suất tính tốn:

chiều dài hành trình nổ tiết diện xi lanh

4 thì: N=RPM/2 số lần nổ trong 1 phút 2 thì: N = RPM số lượng xi lanh

Các giá trị cơng suất chỉ thị khơng phản ánh các tổn thất do ma sát

6.1.7 Cơng suất phanh (brake horsepower - bhp)

Là một thước đo cơng suất hữu dụng thực tế được truyền đến trục khuỷu của động cơ Cơng suất phanh khơng cố định: nĩ tăng lên theo tốc độ Một phương pháp đo cơng suất trục khuỷu ban đầu sử dụng một thiết bị gọi là phanh Prony (Prony brake), như trong Hình 6-4

Trang 5 Hình 6.4 Phanh Prony được sử dụng để đo cơng suất mã lực thắng (bhp) Một mâm kẹp nắm lấy bánh đà quay Kẹp được siết chặt cho đến khi đạt được một vịng quay nhất định với van tiết lưu mở hết cỡ Tại thời điểm này, một giá trị trọng lượng trên cân được ghi nhận Biết được giá trị đọc trên cân (W), khoảng cách từ tâm trục khuỷu đến điểm tựa cánh tay (L) và vịng quay của bánh đà (R), cĩ thể tính tốn được bhp.

Cơng suất phanh trên phanh Prony :

2 R L Rbhp

33.000 L :R L

W :bhp

5252

W : Tốc độ động cơ RPM

Khoảng cách tâm trục truyền động đến điểm đỡ trên cân.W Trọng lượng đo được trên cân.

  

Hình 6.5 Sơ đồ này minh họa ý tưởng cơ bản của một máy đo cơng suất động cơ Máy phát điện (dynamo) cĩ thể được tải cho đến khi động cơ đạt đến một vịng tua nhất định với van tiết lưu mở hết cỡ Bằng cách sử dụng các chỉ số của thiết bị đo, cơng suất cĩ thể được tính tốn

Trang 6 Hình 6 6 Máy đo công suất động cơ trong buồng mô phỏng độ cao Máy đo công suất động cơ này được đặt trong một buồng mô phỏng độ cao Thiết lập đặc biệt này cho phép các kỹ sư đo công suất động cơ ở các độ cao khác nhau Động cơ được vận hành trong các điều kiện khí quyển và vị trí van tiết lưu khác nhau, bao gồm van tiết lưu mở hết cỡ (Chrysler)

6.1.8 Máy đo công suất trên xe

Máy đo công suất trên xe được sử dụng để đo công suất hãm tại bánh xe dẫn động Bánh xe dẫn động của xe được đặt trên các con lăn, và động cơ được khởi động Khi bánh xe quay các con lăn, các con lăn được tải (tạo ra lực cản ngày càng lớn) Bằng cách tính toán mức độ tải mà bánh xe có thể chịu được, có thể xác định công suất hãm tại bánh xe dẫn động Đây là hiệu suất thực tế có ý nghĩa đối với người lái xe bình thường Các máy đo công suất trên xe được lắp đặt tại một số cửa hàng lớn để sử dụng trong việc tinh chỉnh và thử nghiệm động cơ

Hình 6.7 Sơ đồ biểu diễn hoạt động của một máy đo công suất trên khung gầm điển hình Thiết bị này đo công suất truyền đến các bánh xe (Clayton)

Trang 7

6.1.9 Đánh giá công suất Gross và Net

Theo quy định của SAE (Society of Automotive Engineers: Hiệp hội Kỹ sư Ô tô), đánh giá công suất gross là công suất tối đa được phát triển bởi một động cơ chỉ được trang bị các phụ kiện cơ bản cần thiết cho hoạt động của nó Điều này bao gồm các hệ thống kiểm soát khí thải tích hợp, bơm dầu, bơm làm mát và bơm nhiên liệu Quạt, máy phát điện, bộ lọc không khí, bộ chuyển đổi xúc tác và ống giảm thanh được tháo bỏ Các phụ kiện khác được điều khiển bởi động cơ, chẳng hạn như bơm trợ lực lái và máy nén điều hòa không khí, cũng được để lại

Công suất net (công suất ròng) là công suất tối đa mà động cơ phát triển khi được trang bị tất cả các phụ kiện mà nó sẽ có khi được lắp đặt trong xe, chẳng hạn như quạt, máy phát điện, bộ chuyển đổi xúc tác, ống giảm thanh, bơm khí, bộ lọc không khí, bơm nhiên liệu và bơm làm mát Công suất ngựa net là một con số thông tin hơn cho người tiêu dùng vì nó cho thấy công suất thực tế sẽ được sản xuất trong quá trình sử dụng bình thường

Các điều kiện thử nghiệm được chỉ định (áp suất khí áp 29.38" Hg hoặc 99.01 kPa, nhiệt độ không khí xung quanh 85°F (29.46°C), áp suất hơi nước hoặc độ ẩm 0.38" Hg hoặc 1.28 kPa) là giống nhau cho cả công suất gross và net

Một số quốc gia khác sử dụng công suất ngựa din Đây là một chỉ số net được đo theo các điều kiện và thông số kỹ thuật hơi khác Do đó, nó sẽ khác với các xếp hạng được sử dụng ở Hoa Kỳ

6.1.10 Công suất ma sát (fhp)

Công suất ma sát (fhp) là phép đo lượng công suất bị mất do ma sát động cơ Nó được tính bằng công thức này:

ihp bhpfhp = 

Hình 6.8 Đồ thị biểu diễn công suất ma sát Lưu ý rằng sự tăng tốc độ vòng quay của động cơ sẽ gây ra nhiều ma sát hơn

Như đã đề cập, công suất ma sát tăng lên theo tốc độ động cơ Xem Hình 6-8

6.1.11 Mô-men xoắn

Mô-men xoắn động cơ (lực xoắn) là khả năng của trục khuỷu để truyền lực xoắn hoặc xoay Nó được đo bằng pound-feet (Newton-meters) Nếu một cờ lê ống được đặt trên một ống và áp lực một pound được tác dụng cách tâm ống một foot, thì mô-men xoắn (mô-men xoắn = lực x khoảng cách) tác dụng lên ống sẽ là một pound-foot Xem Hình 6-9 Trên thực tế, khi đo mô-men xoắn, kết quả được đưa ra theo Ib.-ft Khi đo công việc, kết quả được đưa ra theo ft.-lb

Trang 8 Hình 6.9 Mô-men xoắn hoặc lực xoắn tác dụng lên ống này sẽ là một pound-foot Đây là mô-men xoắn vượt quá trọng lượng của cờ lê

6.1.12 Mô-men xoắn và công suất mã lực phanh không giống nhau

Công suất mã lực phanh của động cơ tăng lên theo tốc độ động cơ Mô-men xoắn của động cơ tăng lên theo tốc độ động cơ cho đến khi động cơ hút vào lượng hỗn hợp nhiên liệu tối đa, sau khi xem xét tất cả các yếu tố Mô-men xoắn lớn nhất tại điểm này và bất kỳ sự gia tăng thêm nào về vòng quay sẽ khiến mô-men xoắn giảm đi Hình 6-10 so sánh mô-men xoắn và công suất mã lực phanh

Hình 6.10 Biểu đồ này cho thấy công suất mã lực phanh và mô-men xoắn cho một động cơ cụ thể Lưu ý rằng công suất mã lực tăng lên gần như đến tốc độ tối đa, trong khi mô-men xoắn giảm xuống ở vòng quay thấp hơn nhiều Mối quan hệ giữa mô-men xoắn và công suất sẽ thay đổi tùy thuộc vào thiết kế động cơ (Cadillac)

6.2 Hiệu suất thể tích

Volumetric efficiency (đôi khi được gọi là breathing ability - khả năng hô hấp) là thước đo khả năng của động cơ trong việc hút hỗn hợp nhiên liệu vào các xilanh Nó được xác

Trang 9 định bởi tỷ lệ giữa lượng hỗn hợp thực sự được hút vào và lượng hỗn hợp cĩ thể được hút vào nếu tất cả các xilanh được lấp đầy hồn tồn

Khi tốc độ động cơ tăng vượt quá một mức nhất định, tốc độ piston trở nên quá nhanh đến nỗi hành trình nạp trở nên quá ngắn, dẫn đến lượng hỗn hợp nhiên liệu được hút vào ngày càng ít Vì mơ-men xoắn lớn nhất khi các xilanh nhận được lượng hỗn hợp nhiên liệu lớn nhất, nên mơ-men xoắn sẽ giảm khi hiệu suất thể tích giảm

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thể tích, bao gồm tốc độ động cơ, nhiệt độ, vị trí bướm ga, thiết kế hệ thống nạp, kích thước và vị trí van, cấu hình hệ thống xả, và áp suất khí quyển Hiệu suất thể tích cĩ thể được cải thiện bằng cách thêm một bộ tăng áp; một ống nạp thẳng, trơn và cĩ độ dài hợp lý (đơi khi được gọi là ống nạp điều chỉnh); các van nạp lớn hơn; một hệ thống xả hiệu quả hơn, và các sửa đổi khác đối với hệ thống nạp và xả

Cơng thức để xác định hiệu suất thể tích:Hiệu suất Thể tích hỗn hợp nhiên liệu thực tế

thể tích  Dung tích xi lanh Tất cả các thử nghiệm giữa các động cơ phải được thực hiện trong điều kiện giống hệt nhau Xem Hình 6-11 và Hình 6-12

Hình 6.11 So sánh hiệu suất thể tích A: Hình này cho thấy thể tích mà xilanh thực sự cĩ thể chứa nếu nĩ được lấp đầy hồn tồn B: Hình này cho thấy thể tích hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu thực tế được hút vào bởi chân khơng

Hình 6.12 Biểu đồ này cho thấy hiệu suất thể tích ở các tốc độ khác nhau Biểu đồ chỉ mang tính gần đúng vì hiệu suất thể tích sẽ thay đổi tùy theo từng động cơ Dấu X đánh dấu điểm cĩ hiệu suất cao nhất và mơ-men xoắn cao nhất

6.2.1 Dung tích động cơ (Displacement)

Dung tích động cơ (khơng phải kích thước vật lý) liên quan đến sự dịch chuyển của piston Sự dịch chuyển của piston đề cập đến tổng số inch khối khơng gian (lít) trong một xilanh khi piston di chuyển từ đỉnh hành trình (TDC) đến đáy (BDC), Hình 6-13 Nếu tất cả các yếu tố liên quan (như tỷ số nén, thiết kế đầu xi-lanh và hệ thống nhiên liệu) bằng nhau, thì dung tích động cơ càng lớn, cơng suất càng được sản xuất nhiều hơn Để tính dung tích, tìm diện tích của xilanh (0,7854 x D2) Nhân diện tích với hành trình tổng cộng của piston (hành trình) từ TDC đến BDC

Kết quả này sau đĩ được nhân với số xilanh để tính tổng dung tích động cơ theo inch3 Cơng thức tính tổng dung tích động cơ: 2

0,7854 DTổng

dung hành trình số lượng xi lanh

Cơng thức này, cho phép tính độ tăng dung tích động cơ sau khi gia cơng rộng thêm

Trang 10 Hình 6.13 Đo lường hành trình piston Nếu bạn đổ đầy nước vào xi-lanh khi piston ở điểm chết trên (A), sau đó di chuyển piston xuống điểm chết dưới (B) và đo lượng nước bổ sung cần thiết để đổ đầy xi-lanh (C), bạn có thể xác định được dung tích xi-lanh tính bằng inch khối Khi piston ở điểm chết trên, khoảng trống từ đỉnh piston đến đầu xi-lanh được gọi là thể tích hở Khoảng trống này chứa nước trong trường hợp A Ví dụ 6.1: Tìm dung tích của một động cơ V-8 có đường kính xi-lanh (bore) là 4.000 inch và hành trình piston (stroke) là 3.000 inch

6.2.2 Đường kính trong xi lanh và hành trình piston:

Như phần trên, dung tích xi lanh phụ thuộc vào đường kính trong xi lanh và hành trình piston (khoảng cách pít-tông di chuyển từ điểm chết trên (TDC) đến điểm chết dưới (BDC), Hình 6-14).Khi đường kính trong và hành trình bằng nhau, động cơ được gọi là “vuông” Một số động cơ hiện đại có hành trình ngắn hơn đường kính trong, động cơ được gọi là “vuông quá khổ” Bằng cách giảm hành trình, tốc độ tịnh tiến piston giảm, làm tăng tuổi thọ của các xi lanh, piston và bạc xéc - măng

Hình 6.14: Đường kính xi-lanh (đường kính của xi-lanh) và hành trình pít-tông (khoảng cách pít-tông di chuyển từ điểm chết trên đến điểm chết dưới) Độ lệch của bạc đạn trục liên kết, hay còn gọi là hành trình trục khuỷu, quyết định độ dài của hành trình pít-tông